AT389937B - Sonnenkollektor sowie verfahren zur herstellung des kollektorelementes - Google Patents

Description

Nr. 389937

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektor mit einem von einer lichtdurchlässigen Frontwand abgedeckten Kollektorgehäuse und einem Kollektorelement, bestehend aus einer Grundplatte und einer an deren Oberseite angeordneten, metallischen Absorberplatte sowie mehreren, an der Absorberplatte anliegenden, von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohren bzw. Rohrabschnitten, wobei die Absorberplatten parallel zueinander ausgerichtete Rohre bzw. Rohrabschnitte mit zur Rohraußenfläche korrespondierender Form teilweise umfaßt und die Absorberplatte mit der Grundplatte jeweils zwischen den Rohren bzw. Rohrabschnitten miteinander verbunden sind, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Kollektorelementes eines Sonnenkollektors.

Bei einem bekannten Plattensammler einer Sonnenheizung für ein Gebäude mit Welldach sind die für das Heizmedium vorgesehenen Leitungsrohre fest mit den Absorberplatten verschweißt. Das Problem der guten Anlage bei dem Wärmeübergang ist hier nicht gegeben, jedoch ist dafür die Fertigung wesentlich kosten- und arbeitsintensiver.

Bei einer bekannten Wärmetauschereinrichtung (DE-AS 2919 848) ist eine Verbindung von Blechbahnen mit Schellen oder Hilfsblechen lediglich auf einem Bereich von 90 bis max. 180° umfaßt. Hier sollen zwei Bleche miteinander verbunden werden, wobei zwischen diesen beiden Blechen die Rohre eingesetzt sind. Es kann sich zwischen diesen beiden aus gleichem Material bestehenden Bleche keine Verschiebung ergeben, so daß sich auch bei einer Wärmeausdehnung des oberen Bleches kein Änderung der Anpreßung des Belches an die eingelegten Rohre ergeben kann. Außerdem erfolgt die Befestigung zwischen den einzelnen Belchen in irgendeiner Form zwischen den einzelnen Einbuchtungen zur Aufnahme der Rohre.

Sonnenkollektoren sind in den verschiedensten Konstruktionen bekannt geworden. Es wird dabei stets versucht, eine gute Wärmeableitung dar Absorberplatte an die von dem Wärmeaustauschmedium durchströmten Rohre bzw. Rohrabschnitte zu erreichen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Rohre bzw. Rohrabschnitte mit der Absorbeiplatte zu verschweißen oder die Rohre nach Art von Rohrschellen mit der Absorberplatte zu verbinden. Der Wärmeübergang ließ jedoch stets zu wünschen übrig. Außerdem sind die konstruktiven Maßnahmen aufwendig.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Sonnenkollektor zu schaffen, dessen Kollektorelement in einfacher Weise vorgefertigt werden kann und bei welchem ein optimaler Wärmeübergang zwischen der Absorberplatte und den von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohren bzw. Rohrabschnitten gegeben ist

Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, daß der Umfangswinkel, auf dem die Rohre von der Absorberplatte umfaßt sind, mehr als 180°, vorzugsweise 240 bis 320°, beträgt, daß die Absorberplatte und die Grundplatte durch unmittelbar neben den zugehörigen Einbuchtungen zur Aufnahme der Rohre angeordnete Verschraubungen miteinander verbunden sind, und daß die Grundplatte an sich bekannte, quer verlaufende Tragprofile umfaßt, mit denen die Absorbeiplatte unmittelbar verbunden ist.

Dadurch, daß die Absorberplatte selbst direkt die Rohre bzw. Rohrabschnitte auf mehr als 180° formschlüssig umfaßt, ist ein optimaler Wärmeübergang gegeben, so daß die von der Absorberplatte aufgenommene Wärmeenergie in einer relativ großen Fläche an die Rohre bzw. Rohrabschnitte übertragen werden kann. Es ist also ein direkter Wärmeübergang von der Absorberplatte auf die Rohre möglich.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist auch ein in sich stabiles Kollektorelement geschaffen, wobei die in der einen Richtung verlaufenden Einbuchtungen der Absorberplatte samt den Rohren bzw. Rohrabschnitten die Längsträger bilden und die quer dazu verlaufenden Tragprofile die Querträger. Es können somit solche Kollektorelemente in einfacher Weise in sich stabil vorgefertigt und in dieser Form an die Baustelle gebracht werden.

Von besonderer Bedeutung ist die Befestigungsart zwischen der Absorbeiplatte und den quer dazu verlaufenden Tragprofilen. Da jeweils nur einseitig neben einer Einbuchtung eine Schraubverbindung zwischen der Absorberplatte und den Tragprofilen erfolgt, wirken sich Wärmedehnungen der Abdeckplatte in positiver Weise auf den Wärmeübergang zwischen der Absorberplatte und den Rohren bzw. Rohrabschnitten aus. Bei einer Wärmedehnung der Absorberplatte wird nämlich die Absorberplatte im Bereich der Einbuchtungen stärker an die Rohre bzw. Rohrabschnitte angepreßt und somit der Wärmeübergang noch verbessert. Wenn hingegen beidseitig der Einbuchtung eine Verschraubung erfolgen würde, so könnte sich lediglich die zwischen jeweils zwei Verschraubungen liegende ebene Fläche der Absorberplatte durch Wärmedehnung entsprechend wölben. Dies bringt aber in bezug auf den Wärmeübergang zwischen der Absorberplatte und den Rohren bzw. Rohrabschnitten nichts. Auch eine Verschraubung jeweils zwischen zwei Einbuchtungen, also zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Rohren bzw. Rohrabschnitten würde einen ähnlich schlechten Effekt bringen, weil dann nämlich einfach die Bereiche der Einbuchtungen mit den Rohren bei einer Wärmedehnung der Absorberplatte angehoben würden. Ein Anheben der Absorberplatte von den Tragprofilen ist aber durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht möglich, zumal ja die Verschraubung unmittelbar seitlich neben einer Einbuchtung erfolgt. Durch Verwendung von Materialien unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten für die Absorberplatte und die Tragprofile kann der Effekt der Anpressung bei Wärmedehnungen entsprechend verstärkt werden.

Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei, wenn zwischen der Absorberplatte und der Grundplatte im Bereich der Tragprofile Stahlbänder eingesetzt sind.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Kollektorelementes eines Sonnenkollektors wird -2-

Nr. 389937 vorgeschlagen, daß in der Absorberplatte zur Aufnahme der Rohre bzw. Rohrabschnitte sickenartige Einbuchtungen vorgefertigt und nach Einlegen der Rohre bzw. Rohrabschnitte in die Einbuchtungen mittels Preßwerkzeugen beidseitig der Einbuchtungen die Absorberplatte auf einem Umfang von mehr als 180°, vorzugsweise von annähernd 240 bis 320°, am Rohrumfang angepreßt bzw. angeformt wird, worauf in diesem 5 angepreßten Zustand der Absorberplatte die Verschraubung zwischen der Absorberplatte und den Tragprofilen des aus Tragprofilen, Isoliermaterial und gegebenenfalls einer unteren Abdeckplatte vorgefertigten Teilabschnittes des Kollektorelementes erfolgt

Es hat sich gezeigt, daß gerade durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eine optimale Konstruktion und somit ein optimaler Wärmeübergang zwischen der Absorberplatte und den Rohren bzw. Rohrabschnitten 10 erreicht werden kann. Wenn nämlich noch bei angesetzten Preßwerkzeugen die Verschraubung zwischen der Absorberplatte und den Tragprofilen erfolgt ergeben sich nach dem Lösen der Preßweikzeuge Spannungen in dem Absorberblech, die bewirken, daß die Absorberplatte im Bereich der Einbuchtungen in der verpreßten, an den Rohren bzw. Rohrabschnitten anliegenden Form verbleibt.

Weitere erfindungsgemße Merkmale und besondere Vorteile werden in da- nachstehenden Beschreibung anhand 15 der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägsicht eines Abschnittes eines Sonnenkollektors;

Fig. 2 eine Draufischt auf ein Kollektorelement

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie (I-I) in Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie (II-II) in Fig. 2; 20 Fig. 5 einen Teilabschnitt des Kollektorelementes in einem Schnitt nach der Linie (I-I) in Fig. 2 und

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie (III-III) in Fig. 5;

Fig. 7 einen gleichen Schnitt durch das Kollektorelement wie bei Fig. 5, wobei jedoch ein geringfügig geänderter konstruktiver Aufbau vorgesehen ist

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie (IV-IV) in Fig. 7; 25 Die Fig. 9 bis 11 die verschiedenen Fertigungsabschnitte bei der Herstellung der Absorberplaue mit den eingesetzten Rohren bzw. Rohrabschnitten.

Ein Sonnenkollektor (1) nach Fig. 1 besteht aus einem Kollektorgehäuse (2), dem Kollektorelement (3) sowie einer lichtdurchlässigen Frontwand (4). Das Kollektorelement (3) besteht aus einer Grundplatte (5) und einer an deren Oberseite angeordneten metallischen Absorberplatte (6), sowie mehreren, an der Absorberplatte 30 (6) anliegenden, von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohren bzw. entsprechenden Rohrabschnitten (7). Die Rohre (7) sind zweckmäßig parallel zueinander verlaufend mit entsprechendem Abstand angeordnet und vorzugsweise durchgehend einstückig, wobei jeweils am Randbereich des Kollektorelementes die Rohre bogenförmig verlaufen. Das gesamte Rohrsystem läuft also annähernd schlangenförmig über die ganze Fläche des Kollektorelementes (3). 35 Die Grundplatte (5) ist aus quer zu den Rohren (7) verlaufenden Tragprofilen (8) und dazwischen eingesetztem Isoliermaterial (9) gebildet. An der Unterseite der Grundplatte (5) können streifenförmige, quer zu den Tragprofilen (8) verlaufende Verbindungsteile oder auch eine Abdeckplatte (10) vorgesehen werden.

Die Rohre (7) sind in sickenartige Einbuchtungen (11) der Absorberplatte (6) eingesetzt, wobei die Absorberplatte (6) mit den darunter liegenden Tragprofilen (8) verschraubt ist Es wird nachstehend noch näher 40 auf die besondere Konstruktion des erfindungsgemäßen Kollektorelementes eingegangen.

Aus den Fig. 5 bis 8 ist ersichtlich, daß die Absorberplatte (6) die parallel zueinander ausgerichteten Rohre (7) mit zur Rohraußenoberfläche korrespondierender Form auf einem Umfangswinkel von mehr als 180° umfaßt. Zweckmäßig ist dieser Umfangswinkel im Bereich zwischen 240 und 320°, so daß dadurch eine sehr gute Wärmeableitung zwischen der Absorberplatte (6) und den Rohren (7) gegeben ist Es ist diesen Figuren auch zu 45 entnehmen, daß die Absorberplatte (6) mit den darunter liegenden Tragprofilen (8) verbunden ist. Die Verschraubung zwischen der Absorberplatte (6) und den Tragprofilen (8) erfolgt jeweils unmittelbar einseiüg neben der Einbuchtung (11) der Absorbeiplatte. Es ist dadurch die Gewähr gegeben, daß die Absorberplatte gerade im Bereich der sickenartigen Einbuchtungen (11) und somit im Bereich der Rohre (7) in dieser Stellung fixiert bleiben. Da jedoch nur einseitig neben diesen Einbuchtungen (11) eine Schraube (12) eingesetzt wird, ergibt 50 sich nach Art des Bimetalleffektes bei gegenüber dem Tragprofil (8) größeren Längendehnungen der Absorberplatte (6) eine größere Anpressung der Absorberplatte (6) im Bereich der Einbuchtung (11) an die Rohre (7). Es ist also sehr wesentlich, daß nur eine einseitige Verschraubung unmittelbar neben den sickenartigen Einbuchtungen (11) erfolgt

Die Absorberplatte (6) ist zweckmäßig aus Aluminium gefertigt so daß eine relativ große Wärmedehnung 55 bei Sonneneinstrahlung gegeben ist und somit eine entsprechend große Anpressung der Absorberplatte (6) im Bereich der Einbuchtungen (11) ermöglicht wird. Die Rohre (7) selbst sind ebenfalls aus Metallprofilen gefertigt, wobei je nach Einsatzgebiet verschiedene Metalle bzw. Metallkombinationen in Frage kommen können. Es ist möglich, daß sowohl die Absorberplatte (6) als auch die untere Abdeckplatte (10) aus Aluminium gefertigt sind. 60 Um eine entsprechende Anpressung der Absorberplatte (6) an die vom Wärmetauschmedium durchströmten Rohre (7) hervorzurufen, muß die Wärmedehnung der Absorberplatte (6) größer sein als die Wärmedehnung der Tragprofile (8). Dies wird unter anderem eben dadurch erreicht, daß die Absorberplatte (6) aus Aluminium -3-

Claims (3)

1. Nr. 389937 gefertigt ist und die Tragprofile (8) aus Holzlatten, vorzugsweise Hartholzplatten. Solche Hartholzplatten weisen in Faserlängsrichtung gesehen praktisch kaum eine Wärmedehnung auf, so daß sich eine Art Bimetallelement bildet zwischen der Absorberplatte (6) und den Tragprofilen (8). Es ist durch die Verschraubung zwischen der Absorberplatte (6) und den Tragprofilen (8) eine relativ größere Wärmedehnung der Absorberplatte (6) zwischen 5 jeweils zwei Verschraubungen gegeben und somit eine große Anpreßkraft der Absorberplatte (6) im Bereich der Einbuchtungen (11) an die Rohre (7). Der Bimetalleffekt kann auch bei Verwendung anderer Materialien für die Tragprofile (8) erreicht werden, indem zwischen der Absorberplatte (6) und den Tragprofilen (8) Stahlbänder (13) eingesetzt werden. Diese Stahlbänder (13) sind dann wiederum zusammen mit der Absorberplatte (6) über die Schrauben (12) mit den Tragprofilen (8) verbunden. Diese Variante kann z. B. bei Verwendung von 10 Kunststoffprofilen als Tragprofile (8) vorgesehen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung der Stahlbänder (13) und der aus Aluminium gefertigten Absorberplatte (6) ergeben sich wiederum Bimetalleffekte. Eine solche Variante mit der Anordnung von zusätzlichen Stahlbändern (13) ist den Fig. 5 und 6 zu entnehmen. Bei Verwendung von Hohlprofilen für die Tragprofile (8) könnte auch anstelle der Schraubverbindung eine Nietverbindung vorgesehen werden. 15 Anhand der Fig. 9 bis 11 kann zumindest der erste Abschnitt des Herstellungsverfahrens des Kollektorelementes erläutert werden. Als Ausgangsmaterial ist also die ebene Absorberplatte (6) und das entsprechende Rohr (7) bzw. die vorgebogene Rohrschlange gegeben. Es werden dann in die Absorberplatte (6) entsprechende sickenartige Einbuchtungen (11) eingeformt, worauf dann das Rohr (7) in diese Einbuchtungen (11) eingelegt werden kann. In dieser Phase hat also die Absorberplatte (6) am Rohr (7) einen 20 Umschlingungswinkel von annähernd 180°. Es werden nun die Preßwerkzeuge (14) angesetzt und in Pfeilrichtung (15) zusammengepreßt. Es ergibt sich dadurch ein Umschlingungswinkel entsprechend der Fig. 11. Die Preßwerkzeuge (14) verbleiben nun in dieser Endstellung, in welcher ein Umschlingungswinkel der Absorberplatte (6) um das Rohr (7) herum von etwa 300° gegeben ist. Bevor nun die Preßwerkzeuge (14) gelöst werden, erfolgt ein Verschrauben mit der inzwischen vorgefertigten Grundplatte, welche also aus den 25 Tragprofilen (8), dem Isoliermaterial (9) und einer unteren Abdeckplatte (10) gebildet ist. Erst nach dem Verschrauben werden die Preßwerkzeuge (14) gelöst, so daß von vomeherein die Gewähr gegeben ist, daß die Absorberplatte (6) federnd und somit form- und kraftschlüssig an den Rohren (7) anliegt. Die untere Abdeckplatte (10) muß selbstverständlich nicht von vomeherein montiert sein, sondern es genügt, wenn eine gegenseitige Fixierung und Verbindung der Tragprofile (8) in irgendeiner Weise erfolgt. Es könnten 30 dann an der Unterseite der Grundplatte (5) entsprechende Träger oder Verkleidungselemente angebracht werden, die unter Umständen direkt die Decke des Innenraumes eines Wohngebäudes bilden könnten. Nach der Montage des Kollektorelementes ist ein in sich stabiles Konstruktionssystem geschaffen worden, wobei die Querversteifung durch die Tragprofile und die Längsversteifung durch die Absorberplatte (6) mit ihren Einbuchtungen (11) und durch die Rohre (7) erreicht wird. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und das 35 erfindungsgemäße Verfahren werden neue Wege im Bau von Sonnenkollektoren geschaffen, die nicht nur zu einer einfachen, aber robusten Konstruktion, sondern auch zu einer wesentlich besseren Energieausnutzung führen. Ein erfindungsgemäßes Kollektorelement kann auch in anderer Form als Wärmetauscher eingesetzt werden, wobei es sich nicht immer um ein in einer Ebene ausgerichtetes Element handeln muß. Beispielsweise könnte die Absorberplatte wellenförmig oder bogenförmig auf einer entsprechenden Unterkonstruktion (Grundplatte) 40 angeordnet werden. Auch ist es denkbar, daß eine entsprechende Absorberplatte quer zur Längsrichtung der Rohre bzw. Einbuchtungen kreisförmig gebogen einen Kessel oder irgendeinen Tank umgibt, wobei durch den besonderen Wärmeübergang zwischen Kessel bzw. Tank und Absorberplatte und zwischen Absorbcrplaue und Rohren ein besonders guter Wirkungsgrad erreichbar ist. 45 PATENTANSPRÜCHE 50 1. Sonnenkollektor mit einem von einer lichtdurchlässigen Frontwand abgedeckten Kollektorgehäuse und einem Kollektorelement, bestehend aus einer Grundplatte und einer an deren Oberseite angeordneten, metallischen Absorberplatte sowie mehreren, an der Absorberplatte anliegenden, von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohren bzw. Rohrabschnitten, wobei die Absorberplatte parallel zueinander ausgerichtete Rohre bzw. Rohrabschnitte mit zur Rohraußenfläche korrespondierender Form teilweise umfaßt und die Absorberplatte 60 mit der Grundplatte jeweils zwischen den Rohren bzw. Rohrabschnitten miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkel, auf dem die Rohre (7) von der Absorberplatte (6) umfaßt sind, . mehr als 180°, vorzugsweise 240 bis 320°, beträgt, daß die Absorberplatte und die Grundplatte durch unmittelbar -4- Nr. 389937 neben den zugehörigen Einbuchtungen (11) zur Aufnahme der Rohre (7) angeordnete Verschraubungen miteinander verbunden sind, und daß die Grundplatte (5) an sich bekannte, quer verlaufende Tragprofile (8) umfaßt, mit denen die Absorberplatte (6) unmittelbar verbunden ist.
2. 2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Absorberplatte (6) und der Grundplatte (5) im Bereich der Tragprofile (8) Stahlbänder (13) eingesetzt sind (Fig. 5 und 6).
3. 3. Verfahren zur Herstellung des Kollektorelementes eines Sonnenkollektors nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Absorberplatte (6) zur Aufnahme der Rohre (7) bzw. Rohrabschnitte 10 sickenartige Einbuchtungen (11) vorgefertigt und nach Einlegen der Rohre (7) bzw. Rohrabschnitte in die Einbuchtungen (11) mittels Preßwerkzeugen (14) beidseitig der Einbuchtungen (11) die Absorberplatte (6) auf einen Umfang von mehr als 180°, vorzugsweise von annähernd 240 bis 320°, am Rohrumfang angepreßt bzw. angeformt wird, worauf in diesem Zustand der Absorberplatte (6) die Verschraubung zwischen der Absorbetplatte (6) und den Tragprofilen (8) des aus Tragprofilen (8), Isoliermaterial (9) und gegebenenfalls einer unteren 15 Abdeckplatte (10) vorgefertigten Teilabschnittes des Kollektorelementes (3) erfolgt. 20 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-